KR101584227B1 - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 리튬 이차전지는, 캐소드, 애노드, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터 및 비수 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 캐소드는, 망간 풍부 금속 산화물인 캐소드 활물질을 포함하며, 상기 비수 전해액은, 유기용매, 전해질 염 및 첨가제를 포함하며, 상기 첨가제는 음이온으로서 BF4 -를 포함한다.
본 발명에 따르면, 리튬 이차전지를 작동함에 있어서, 망간의 용출량을 감소시킴으로써, 전지의 출력 저하를 방지할 수 있고, 캐소드 활물질로서, 코발트 또는 니켈에 비해 값이 싼 망간을 과량 사용함으로써, 리튬 이차전지의 제조 단가를 절감할 수 있으며, 전해질 염으로 포함될 수 있는 LiPF6의 분해를 억제하여 전지의 성능 저하를 감소시킬 수 있다.A lithium secondary battery according to the present invention includes a cathode, an anode, a separator interposed between the cathode and the anode, and a non-aqueous electrolyte, wherein the cathode includes a cathode active material which is a manganese- The non-aqueous electrolyte includes an organic solvent, an electrolyte salt and an additive, and the additive includes BF 4 - as an anion.
According to the present invention, in operation of a lithium secondary battery, by reducing the elution amount of manganese, a decrease in the output of the battery can be prevented, and excessive use of manganese, which is lower in value than cobalt or nickel, The manufacturing cost of the battery can be reduced, and degradation of LiPF 6 , which may be contained in the electrolyte salt, is suppressed, so that degradation of the performance of the battery can be reduced.
Description
본 발명은 리튬 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 과량의 망간을 함유하는 캐소드 활물질 및 비수 전해액의 첨가제로서 BF4 - 이온을 함유하는 염을 포함하는 리튬 이차전지를 작동함에 있어서, 망간의 용출량을 감소시켜 전지의 출력저하를 감소시키는 리튬 이차전지에 관한 것이다.The present invention relates to a lithium secondary battery, and more particularly, to a lithium secondary battery including a salt containing BF 4 - ion as an additive for a cathode active material containing excessive manganese and a nonaqueous electrolyte, To reduce the power output of the battery.
최근 에너지 저장 기술에 대한 관심이 갈수록 높아지고 있다. 휴대폰, 캠코더 및 노트북 PC, 나아가서는 전기 자동차의 에너지까지 적용 분야가 확대되면서, 이러한 전자 기기의 전원으로 사용되는 전지의 고에너지 밀도화에 대한 요구가 높아지고 있다. 리튬 이차전지는 이러한 요구를 가장 잘 충족시킬 수 있는 전지로서, 현재 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, interest in energy storage technology is increasing. As the application fields of cell phones, camcorders, notebook PCs, and electric vehicles further expand, there is a growing demand for higher energy density of batteries used as power sources for such electronic devices. Lithium secondary batteries are the ones that can best meet these demands, and researches on them are actively under way.
그러나, 이러한 리튬 이차 전지는 유기 전해액을 사용하는데 따르는 발화 및 폭발 등의 안전 문제가 존재하고, 제조가 까다로운 단점이 있다. 특히 최근 리튬 이차전지의 활용 범위가 극적으로 확대되면서 다양한 조건 및 환경에서 리튬 이차전지가 사용되고 있고, 그에 따라 보다 고용량인 리튬 이차전지에 대한 요구도 점차 증가되고 있다. 고용량 리튬 이차전지를 제공하기 위해서 전극의 작동 범위가 점차 확대되고 있는데, 고전압으로의 이동은 용량면에서 이익을 얻을 수 있으나 안전성 문제 역시 예전보다 더 부각시키게 하였다.However, such a lithium secondary battery has safety problems such as ignition and explosion when using an organic electrolytic solution, and it is disadvantageous in that it is difficult to manufacture. In particular, with the recent expansion of the application range of lithium secondary batteries, lithium secondary batteries have been used under various conditions and environments, and the demand for lithium secondary batteries of higher capacity has been gradually increasing. In order to provide a high capacity lithium secondary battery, the working range of the electrode is gradually expanding, and the movement to high voltage can benefit from the capacity but the safety problem is made more remarkable than before.
한편, 리튬 이차전지에 사용되는 캐소드 활물질로는 리튬 코발트 복합 산화물, 리튬 니켈 복합 산화물, 리튬 망간 복합 산화물 등이 사용되고 있으며, 이 중에서 자원적으로 풍부하여 값이 싼 망간을 주원료로 하는 리튬 망간 복합 산화물이 주목을 받고 있다.On the other hand, lithium cobalt composite oxide, lithium nickel composite oxide, lithium manganese composite oxide and the like are used as the cathode active material used for the lithium secondary battery. Among them, a lithium manganese composite oxide containing manganese, which is abundant in resources and low in value, This is receiving attention.
그런데, 망간이 포함된 리튬 이차전지는 충방전이 진행됨에 따라 전해액으로 망간이 용출되고 용출된 망간 성분이 애노드 활물질, 예컨대 탄소재료의 표면에 석출되고, 애노드 활물질 표면에 석출된 망간은 애노드 활물질로부터 전자를 받아서 환원반응에 의해 전해액이 애노드 활물질에서 분해되는 것을 촉진시킴으로써 전지의 저항을 증가시켜 전지를 퇴화시키는 문제점을 가지고 있다.However, in the lithium secondary battery containing manganese, the manganese component eluted and eluted from the electrolyte is precipitated on the surface of the anode active material, for example, the carbon material, and the manganese precipitated on the surface of the anode active material is removed from the anode active material There is a problem that the resistance of the battery is increased to degenerate the battery by promoting the decomposition of the electrolyte in the anode active material by the reduction reaction by receiving electrons.
이러한 망간 성분의 석출은 고온 보존 시에 더욱 심각하게 나타나는데, 이는 전지의 저항 증가를 초래한다. 전기 자동차의 전원으로서 망간이 포함된 리튬 이차전지가 사용되는 경우, 상기와 같은 문제점은 출력의 심각한 저하를 초래하여, 고성능(고출력) 리튬 이차전지의 개발을 저해하는 주요 원인으로 작용한다.The precipitation of these manganese components is more severe when stored at high temperatures, which leads to an increase in the resistance of the battery. When a lithium secondary battery including manganese is used as a power source for an electric vehicle, such a problem causes serious deterioration of output, which is a major cause of hindering development of a high performance (high output) lithium secondary battery.
이러한 망간이 포함된 리튬 이차전지의 성능저하를 방지하는 기존의 연구는 스피넬 구조의 분해(dissolution)를 억제하는 방법과 전해액 첨가제를 이용하는 방법이 있다. 그러나, 여전히 분해(dissolution)를 완벽하게 억제하지는 못하며, 전해액도 고온 보관 시 자체 열화되어 성능의 감퇴가 생기고 있다.Conventional studies for preventing deterioration in the performance of lithium secondary batteries including manganese include a method of suppressing dissolution of the spinel structure and a method of using an electrolyte additive. However, it still does not completely inhibit dissolution, and the electrolytic solution itself deteriorates during storage at high temperature, resulting in deterioration of performance.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있는 리튬 이차전지에 대한 필요성이 높은 실정이다.Therefore, there is a high need for a lithium secondary battery capable of solving the above problems.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 리튬 이차전지를 작동함에 있어서, 망간의 용출량을 감소시킴으로써, 전지의 출력 저하를 초래하지 않는 리튬 이차전지를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a lithium secondary battery which does not cause a decrease in output of a battery by reducing the elution amount of manganese in operation of the lithium secondary battery.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따르면, 캐소드, 애노드, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터 및 비수 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 캐소드는, 망간 풍부 금속 산화물인 캐소드 활물질을 포함하며, 상기 비수 전해액은, 유기용매, 전해질 염 및 첨가제를 포함하며, 상기 첨가제는 음이온으로서 BF4 -를 포함한다.According to the present invention, there is provided a lithium secondary battery comprising a cathode, an anode, a separator interposed between the cathode and the anode, and a non-aqueous electrolyte, wherein the cathode comprises a cathode active material, Wherein the non-aqueous electrolyte comprises an organic solvent, an electrolyte salt and an additive, wherein the additive comprises BF 4 - as an anion.
여기서, 상기 망간 풍부 금속 산화물은, LixMnaM1 bM2 cM3 dO2(0.5≤a≤1, 0≤b+c+d≤0.5, x+a+b+c+d=2), LiyMneM1 fM2 gM3 hO3(0.5≤e≤1, 0≤f+g+h≤0.5, y+e+f+g+h=3) 및 LizMniM1 jM2 kM3 lO4(1≤i≤2, 0≤j+k+l≤1, 2z+i+j+k+l=4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이고, 상기 M1, M2 및 M3는, 서로 독립적으로 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 원소일 수 있다.Wherein the manganese-rich metal oxide is Li x Mn a M 1 b M 2 c M 3 d O 2 (0.5? A? 1, 0? B + c + d? 0.5, x + a + b + c + d = 2), Li y Mn e M 1 f M 2 g M 3 h O 3 (0.5≤e≤1, 0≤f + g + h≤0.5, y + e + f + g + h = 3) , and Li z Mn i M 1 j M 2 k M 3 l O 4 ( 1? i? 2 , 0? j + k + 1? 1, 2z + i + j + one or a mixture of two or more of these, wherein M 1, M 2 and M 3 are any one element of one another and independently selected from the group consisting of Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V and Fe .
이때, 상기 망간 풍부 금속 산화물은, Li2MnO3와 LiMn0 .5Ni0 .5O2의 혼합물일 수 있다.At this time, the manganese-rich metal oxide may be a mixture of Li 2 MnO 3 and LiMn 0 .5 Ni 0 .5 O 2 .
그리고, 상기 유기용매는, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.Examples of the organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, (DEC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), dimethyl carbonate (DMF) Methyl ethyl ketone, ethyl propyl carbonate, dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether, ethyl propyl ether, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, Propyl propionate,? -Butyrolactone,? -Valerolactone,? -Caprolactone,? -Valerolactone and? -Caprolactone Ton, or a mixture of two or more thereof.
또한, 상기 유기용매는, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 60 중량% 내지 80 중량% 및 에틸렌 카보네이트 20 중량% 내지 40 중량%를 포함할 수 있으나 이에만 한정하는 것은 아니다.Also, the organic solvent may include 60 to 80% by weight of any one selected from the group consisting of ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate, or a mixture of two or more thereof, and 20 to 40% by weight of ethylene carbonate. But is not limited thereto.
그리고, 상기 전해질 염은, 음이온으로서, F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 그리고, 상기 전해질 염은, LiPF6일 수 있다.The electrolyte salt may be an anion selected from the group consisting of F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N (CN) 2 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - (CF 3 ) 3 PF 3 - , (CF 3 ) 4 PF 2 - , (CF 3 ) 5 PF - , (CF 3 ) 6 P - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CF 2 SO 3 - 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - , or two or more of them. The electrolyte salt may be LiPF 6 .
한편, 상기 음이온으로서 BF4 -를 포함하는 첨가제는, LiBF4 및 R1R2R3R4NBF4(R1, R2, R3 및 R4는 각각 C1 내지 C12인 알킬기)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.On the other hand, the additive containing BF 4 - as the anion is LiBF 4 and R 1 R 2 R 3 R 4 NBF 4 (R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each an alkyl group of C 1 to C 12 ) Or a mixture of two or more thereof.
그리고, 상기 첨가제의 함량은, 상기 유기용매 100 중량부를 기준으로 0.1 중량부 내지 4 중량부일 수 있다.The content of the additive may be 0.1 part by weight to 4 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent.
그리고, 상기 비수전해액은, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 환형 설파이트, 포화 설톤, 불포화 설톤, 비환형 설폰, 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다.The nonaqueous electrolytic solution may be any one selected from the group consisting of vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, cyclic sulfite, saturated sulphone, unsaturated sulphone, acyclic sulphone, and derivatives thereof, or a mixture of two or more thereof .
한편, 상기 애노드는, 리튬 금속, 탄소재, 금속 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 애노드 활물질을 구비할 수 있다.Meanwhile, the anode may include an anode active material including lithium metal, a carbon material, a metal compound, or a mixture thereof.
여기서, 상기 금속 화합물은, Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Mg, Sr, 및 Ba으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 금속 원소를 함유하는 화합물 또는 이들의 혼합물일 수 있다.The metal compound may be at least one selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Or a compound containing two or more of these metal elements, or a mixture thereof.
그리고, 상기 리튬 이차전지는, 원통형, 각형, 파우치형 또는 코인형 전지일 수 있다.The lithium secondary battery may be a cylindrical, square, pouch or coin-type battery.
본 발명에 따르면, 망간의 용출량을 감소시킴으로써, 전지의 출력 저하를 방지하는 리튬 이차전지를 제조할 수 있다.According to the present invention, by reducing the elution amount of manganese, a lithium secondary battery that prevents the output of the battery from being lowered can be manufactured.
그리고, 캐소드 활물질로서, 코발트 또는 니켈에 비해 값이 싼 망간을 과량 사용함으로써, 리튬 이차전지의 제조 단가를 절감할 수 있다.Further, by using manganese, which is lower in value than cobalt or nickel, as the cathode active material, the manufacturing cost of the lithium secondary battery can be reduced.
또한, 전해질 염으로 포함될 수 있는 LiPF6의 분해를 억제하여 전지의 성능 저하를 감소시킬 수 있다.In addition, degradation of LiPF 6 , which may be contained in the electrolyte salt, is suppressed, and deterioration of battery performance can be reduced.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 리튬 이차전지의 수명특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리막의 표면 및 단면을 나타낸 SEM사진이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리막의 표면 및 단면을 나타낸 SEM사진이다.
도 4는 본 발명의 일 비교예에 따른 분리막의 표면 및 단면을 나타낸 SEM사진이다.
도 5는 본 발명의 다른 비교예에 따른 분리막의 표면 및 단면을 나타낸 SEM사진이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate exemplary embodiments of the invention and, together with the description of the invention, It should not be construed as limited.
1 is a graph showing life characteristics of a lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention and a comparative example.
2 is a SEM photograph showing a surface and a cross section of a separation membrane according to an embodiment of the present invention.
3 is a SEM photograph showing a surface and a cross section of a separation membrane according to another embodiment of the present invention.
4 is a SEM photograph showing a surface and a cross section of a separation membrane according to a comparative example of the present invention.
5 is a SEM photograph showing a surface and a cross section of a separation membrane according to another comparative example of the present invention.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.In addition, since the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
본 발명에 따르면, 캐소드, 애노드, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 개재된 세퍼레이터 및 비수 전해액을 포함하는 리튬 이차전지에 있어서, 상기 캐소드는, 망간 풍부 금속 산화물인 캐소드 활물질을 포함하며, 상기 비수 전해액은, 유기용매, 전해질 염 및 첨가제를 포함하며, 상기 첨가제는 음이온으로서 BF4 -를 포함하는 리튬 이차전지가 제공된다.According to the present invention, there is provided a lithium secondary battery including a cathode, an anode, a separator interposed between the cathode and the anode, and a non-aqueous electrolyte, wherein the cathode includes a cathode active material which is a manganese- , An organic solvent, an electrolyte salt, and an additive, wherein the additive comprises BF 4 - as an anion.
상기 첨가제가 음이온으로서 BF4 -를 포함하게 되면, 전해질 염으로부터 형성될 수 있는 PF5와 반응함으로써, PF6 -를 생성시키면서 반응성이 큰 PF5의 발생을 억제하여 비수 전해액의 반응성을 낮춤으로써 비수 전해액의 안정화에 기여하게 되고, 캐소드 표면에 LiF와 같은 안정한 무기물층의 표면 보호피막을 형성하여 추가적인 전해액 반응을 억제할 수 있다. 이러한 음이온으로서 BF4 -를 포함하는 첨가제의 예로서는, LiBF4, R1R2R3R4NBF4(R1, R2, R3 및 R4는 각각 C1 내지 C12인 알킬기) 등이 있으며, 바람직하게는 LiBF4, (CH3)4NBF4, (C2H5)4NBF4 등이 사용될 수 있다.When the additive contains BF 4 - as an anion, it reacts with PF 5 , which can be formed from an electrolyte salt, thereby suppressing the generation of PF 5 having high reactivity while generating PF 6 - , thereby lowering the reactivity of the non- Thereby contributing to the stabilization of the electrolytic solution and forming a surface protective coating of a stable inorganic layer such as LiF on the surface of the cathode to suppress further electrolyte reaction. Examples of the additive containing BF 4 - as such an anion include LiBF 4 , R 1 R 2 R 3 R 4 NBF 4 (wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each a C 1 to C 12 alkyl group) And preferably LiBF 4 , (CH 3 ) 4 NBF 4 , (C 2 H 5 ) 4 NBF 4 and the like can be used.
여기서, 상기 유기용매로는 리튬 이차전지용 전해액에 통상적으로 사용되는 것들을 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 에테르, 에스테르, 아미드, 선형 카보네이트, 환형 카보네이트 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있다.As the organic solvent, any of those commonly used in an electrolyte for a lithium secondary battery can be used without limitation. For example, ether, ester, amide, linear carbonate and cyclic carbonate may be used alone or in combination of two or more. have.
그 중에서 대표적으로는 환형 카보네이트, 선형 카보네이트, 또는 이들의 혼합물인 카보네이트 화합물을 포함할 수 있다.Among them, a carbonate compound which is typically a cyclic carbonate, a linear carbonate, or a mixture thereof may be included.
상기 환형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트 및 이들의 할로겐화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이 있다. 이들의 할로겐화물로는 예를 들면, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the cyclic carbonate compound include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, Propylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, and halides thereof, or a mixture of two or more thereof. Examples of such halides include, but are not limited to, fluoroethylene carbonate (FEC) and the like.
또한 상기 선형 카보네이트 화합물의 구체적인 예로는 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트 및 에틸프로필 카보네이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 등이 대표적으로 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Specific examples of the linear carbonate compound include any one selected from the group consisting of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate and ethyl propyl carbonate And mixtures of two or more of them may be used as typical examples, but the present invention is not limited thereto.
특히, 상기 카보네이트계 유기용매 중 저점도, 저유전율 선형 카보네이트인 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 60 중량% 내지 80 중량% 및 상기 카보네이트계 유기용매 중 고점도의 환형 카보네이트인 에틸렌 카보네이트 20 중량% 내지 40 중량%를 포함하는 유기용매를 사용하는 경우 높은 전기 전도율을 갖는 비수 전해액을 만들 수 있다.Particularly, 60 wt% to 80 wt% of any one selected from the group consisting of ethylmethyl carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate, which is a low viscosity, low dielectric constant linear carbonate, or a mixture of two or more thereof, When an organic solvent containing 20% by weight to 40% by weight of ethylene carbonate, which is a cyclic carbonate having a high viscosity in a carbonate-based organic solvent, is used, a non-aqueous electrolyte having a high electrical conductivity can be produced.
또한, 상기 유기용매 중 에테르로는 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르 및 에틸프로필 에테르로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As the ether in the organic solvent, any one selected from the group consisting of dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, methyl ethyl ether, methyl propyl ether and ethyl propyl ether or a mixture of two or more thereof may be used , But is not limited thereto.
그리고 상기 유기용매 중 에스테르로는 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.Examples of the ester in the organic solvent include methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, propyl propionate,? -Butyrolactone,? -Valerolactone,? -Caprolactone,? -Valerolactone and? -Caprolactone, or a mixture of two or more thereof, but the present invention is not limited thereto.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비수 전해액에 포함되는 상기 전해질 염은, 음이온으로서, F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서 상기 전해질 염의 비제한적인 예로는, LiCl, LiBr, LiI, LiClO4, LiB10Cl10, LiPF6, LiCF3SO3, LiCF3CO2, LiAsF6, LiSbF6, LiAlCl4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, (CF3SO2)2NLi, 클로로보란리튬 및 저급지방족 카르본산리튬 등을 사용할 수 있으나 이에만 한정하는 것은 아니다.Further, as the anion of the electrolyte salt is contained in the non-aqueous electrolyte according to an embodiment of the present invention, F -, Cl -, Br -, I -, NO 3 -, N (CN) 2 -, ClO 4 -, PF 6 -, (CF 3) 2 PF 4 -, (CF 3) 3 PF 3 -, (CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH - , (SF 5 ) 3 C - , (CF 3 SO 2 ) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - . Wherein the electrolytic salt, non-limiting examples, LiCl, LiBr, LiI, LiClO 4, LiB 10
또한, 상기 음이온으로서 BF4 -를 포함하는 첨가제의 함량은 상기 유기용매 100 중량부를 기준으로 0.1 중량부 내지 4 중량부, 또는 0.5 중량부 내지 1 중량부일 수 있으며, 상기 수치범위를 만족함으로써 망간의 용출량을 더욱 감소시킬 수 있고, 전지의 성능저하를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.The content of the additive including BF 4 - as the anion may be 0.1 to 4 parts by weight, or 0.5 to 1 part by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent. The amount of elution can be further reduced, and deterioration in the performance of the battery can be prevented more effectively.
그리고, 상기 비수전해액은 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 환형 설파이트, 포화 설톤, 불포화 설톤, 비환형 설폰, 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 더 포함할 수 있다. 이들 화합물들은 비수전해액이 캐소드 활물질과 반응하여 활물질 표면 위에 형성되는 보호막(고체 전해질 계면, SEI)의 특성을 향상시키는 역할을 할 수 있고, 특히 상기 음이온으로서 BF4 -를 포함하는 첨가제와 함께 사용되는 경우, 전해액 자체 또는 캐소드 표면에서의 분해반응을 억제할 수 있기 때문에, 캐소드에서의 금속이온 용출의 억제 및 전해액의 부반응 억제로 전지특성의 향상을 도모할 수 있다.The nonaqueous electrolytic solution further includes any one selected from the group consisting of vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, cyclic sulfite, saturated sulphone, unsaturated sulphone, non-cyclic sulphone, and derivatives thereof or a mixture of two or more thereof can do. These compounds can serve to improve the characteristics of a protective layer (solid electrolyte interface, SEI) formed by the non-aqueous electrolyte reacting with the cathode active material and formed on the surface of the active material. In particular, they can be used together with an additive containing BF 4 - It is possible to suppress the decomposition reaction at the surface of the electrolyte itself or at the surface of the cathode. Therefore, it is possible to suppress the elution of the metal ions from the cathode and suppress the side reaction of the electrolyte.
이들 화합물의 함량은 상기 유기용매 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 4 중량부일 수 있다.The content of these compounds may be 0.1 to 4 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent.
상기 환형 설파이트로는 에틸렌 설파이트, 메틸 에틸렌 설파이트, 에틸 에틸렌 설파이트, 4,5-디메틸 에틸렌 설파이트, 4,5-디에틸 에틸렌 설파이트, 프로필렌 설파이트, 4,5-디메틸 프로필렌 설파이트, 4,5-디에틸 프로필렌 설파이트, 4,6-디메틸 프로필렌 설파이트, 4,6-디에틸 프로필렌 설파이트, 1,3-부틸렌 글리콜 설파이트 등을 들 수 있으며, 포화 설톤으로는 1,3-프로판 설톤, 1,4-부탄 설톤 등을 들 수 있으며, 불포화 설톤으로는 에텐 설톤, 1,3-프로펜 설톤, 1,4-부텐 설톤, 1-메틸-1,3-프로펜 설톤 등을 들 수 있으며, 비환형 설폰으로는 디비닐 설폰, 디메틸 설폰, 디에틸 설폰, 메틸에틸 설폰, 메틸비닐 설폰 등을 들 수 있다.Examples of the cyclic sulfite include ethylene sulfite, methyl ethylene sulfite, ethyl ethylene sulfite, 4,5-dimethylethylene sulfite, 4,5-diethyl ethylene sulfite, propylene sulfite, Diethyl propyl sulfite, 4,6-diethyl propyl sulfite, and 1,3-butylene glycol sulfite. The saturated sulphone includes, for example, 1,3-propane sultone, and 1,4-butane sultone. Examples of the unsaturated sultone include ethene sultone, 1,3-propene sultone, 1,4-butene sultone, Phenolsaltone, and the like. Examples of the non-cyclic sulfone include divinyl sulfone, dimethyl sulfone, diethyl sulfone, methyl ethyl sulfone, and methyl vinyl sulfone.
특히, 상기 비수 전해액 100 중량부 기준으로, 0.5 중량부 내지 4 중량부의 비닐렌 카보네이트(VC), 또는 0.5 중량부 내지 3.5 중량부의 1,3-프로판 설톤(PS)을 더 포함할 수 있다.Particularly, it may further comprise 0.5 to 4 parts by weight of vinylene carbonate (VC) or 0.5 to 3.5 parts by weight of 1,3-propane sultone (PS) based on 100 parts by weight of the nonaqueous electrolyte solution.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지는 당해 기술 분야에 알려진 통상적인 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들면, 캐소드와 애노드 사이에 다공성의 세퍼레이터를 넣고 본 발명에 따른 비수 전해액을 투입하여 제조할 수 있다.The lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention can be manufactured according to a conventional method known in the art. For example, a porous separator may be inserted between the cathode and the anode, and the nonaqueous electrolyte solution according to the present invention may be added to the separator.
본 발명의 일 실시예에서 사용되는 세퍼레이터는 당해 분야에서 통상적으로 사용되는 다공성 기재라면 모두 사용이 가능하고, 예를 들면 폴리올레핀계 다공성 막(membrane) 또는 부직포를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.The separator used in one embodiment of the present invention may be any porous substrate commonly used in the art, and may be, for example, a polyolefin porous membrane or a nonwoven fabric, but is not particularly limited thereto .
상기 폴리올레핀계 다공성 막의 예로는, 고밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 초고분자량 폴리에틸렌과 같은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리펜텐 등의 폴리올레핀계 고분자를 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 막(membrane)을 들 수 있다.Examples of the polyolefin-based porous film include polyolefin-based polymers such as polyethylene, polypropylene, polybutylene, and polypentene, such as high density polyethylene, linear low density polyethylene, low density polyethylene and ultra high molecular weight polyethylene, One membrane can be mentioned.
상기 부직포로는 폴리올레핀계 부직포 외에 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리에스테르(polyester), 폴리아세탈(polyacetal), 폴리아미드(polyamide), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌옥사이드(polyphenyleneoxide), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에틸렌나프탈렌(polyethylenenaphthalene) 등을 각각 단독으로 또는 이들을 혼합한 고분자로 형성한 부직포를 들 수 있다. 부직포의 구조는 장섬유로 구성된 스폰본드 부직포 또는 멜트 블로운 부직포일 수 있다.The nonwoven fabric may include, in addition to the polyolefin nonwoven fabric, for example, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyester, polyacetal, polyamide, polycarbonate ), Polyimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polyphenylenesulfide, and polyethylene naphthalene, which may be used alone or in combination, And nonwoven fabrics formed by mixing these polymers. The structure of the nonwoven fabric may be a spun bond nonwoven fabric or a meltblown nonwoven fabric composed of long fibers.
상기 다공성 기재의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 5 내지 50㎛일 수 있고, 다공성 기재에 존재하는 기공 크기 및 기공도 역시 특별히 제한되지 않으나 각각 0.01 내지 50㎛ 및 10 내지 95%일 수 있다.The thickness of the porous substrate is not particularly limited, but may be 5 to 50 탆, and the pore size and porosity present in the porous substrate are also not particularly limited, but may be 0.01 to 50 탆 and 10 to 95%, respectively.
상기 애노드는 애노드 활물질 및 바인더를 포함하는 애노드층이 집전체의 일면 또는 양면에 담지된 구조를 갖는다.The anode has a structure in which the anode layer including the anode active material and the binder is supported on one or both surfaces of the current collector.
상기 애노드 활물질로는 통상적으로 리튬 이온이 흡장 및 방출될 수 있는 탄소재, 리튬 금속, 금속 화합물 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.As the anode active material, a carbon material, a lithium metal, a metal compound, or a mixture thereof, in which lithium ions can be occluded and released, can be used.
구체적으로는 상기 탄소재로는 저결정성 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소(soft carbon) 및 경화탄소(hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 천연 흑연, 키시흑연(Kish graphite), 열분해 탄소(pyrolytic carbon), 액정 피치계 탄소섬유(mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체(meso-carbon microbeads), 액정피치(Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스(petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.Concretely, as the carbon material, low-crystallinity carbon and high-crystallinity carbon may be used. Examples of the low crystalline carbon include soft carbon and hard carbon. Examples of highly crystalline carbon include natural graphite, Kish graphite, pyrolytic carbon, liquid crystal pitch carbon fiber high temperature sintered carbon such as mesophase pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, mesophase pitches and petroleum or coal tar pitch derived cokes.
여기서 상기 금속 화합물로는 Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Mg, Sr, 및 Ba 등의 금속 원소를 1종 이상 함유하는 화합물을 들 수 있다. 이들 금속 화합물은 단체, 합금, 산화물(TiO2, SnO2 등), 질화물, 황화물, 붕화물, 리튬과의 합금 등, 어떤 형태로도 사용할 수 있지만, 단체, 합금, 산화물, 리튬과의 합금은 고용량화될 수 있다. 그 중에서도, Si, Ge 및 Sn으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유할 수 있고, Si 및 Sn으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 포함하는 것이 전지를 더 고용량화할 수 있다.The metal compound may be at least one selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, And compounds containing at least one metal element. These metal compounds may be a single substance, an alloy, an oxide (TiO 2 , SnO 2 Or the like), a nitride, a sulfide, a boride, an alloy with lithium, or the like, but an alloy with a single substance, an alloy, an oxide, and lithium can be increased in capacity. Among them, it may contain at least one element selected from Si, Ge and Sn, and it may further increase the capacity of the battery including at least one element selected from Si and Sn.
상기 캐소드는 캐소드 활물질, 도전재 및 바인더를 포함하는 캐소드층이 집전체의 일면 또는 양면에 담지된 구조를 갖는다.The cathode has a structure in which a cathode layer including a cathode active material, a conductive material and a binder is supported on one or both surfaces of the current collector.
상기 캐소드 활물질로는 리튬 함유 전이금속 산화물이 사용될 수 있고, 망간 풍부 금속 산화물이 포함된다. 상기 망간 풍부 금속 산화물은, LixMnaM1 bM2 cM3 dO2(0.5≤a≤1, 0≤b+c+d≤0.5, x+a+b+c+d=2), LiyMneM1 fM2 gM3 hO3(0.5≤e≤1, 0≤f+g+h≤0.5, y+e+f+g+h=3) 및 LizMniM1 jM2 kM3 lO4(1≤i≤2, 0≤j+k+l≤1, 2z+i+j+k+l=4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이고, 상기 M1, M2 및 M3는, 서로 독립적으로 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 원소일 수 있다.As the cathode active material, a lithium-containing transition metal oxide may be used, and a manganese-rich metal oxide is included. Wherein the manganese-rich metal oxide is Li x Mn a M 1 b M 2 c M 3 d O 2 (0.5? A? 1, 0? B + c + d? 0.5, x + a + b + c + d = 2 ), Li y Mn e M 1 f M 2 g M 3 h O 3 (0.5≤e≤1, 0≤f + g + h≤0.5, y + e + f + g + h = 3) and the Li z Mn M 1 M 2 j i k l M 3 O 4, or any one selected from the group consisting of (1≤i≤2, 0≤j + k + l≤1 , 2z + i + j + k + l = 4) and mixtures of two or more of the M 1, M 2 and M 3 are, may be any one of the elements to each other independently selected from the group consisting of Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V and Fe .
이때, 상기 망간 풍부 금속 산화물은, Li2MnO3와 LiMn0 .5Ni0 .5O2의 혼합물일 수 있으며, 상기 Li2MnO3와 LiMn0 .5Ni0 .5O2이 1:1의 중량비로 혼합된 혼합물일 수 있다.At this time, the manganese-rich metal oxides, Li 2 MnO 3 and LiMn 0 .5 0 .5 O Ni may be a mixture of 2, wherein the Li 2 MnO 3 and LiMn 0 .5 Ni 0 .5 O 2 is 1: 1 By weight based on the total weight of the composition.
그리고 상기 캐소드 활물질은 알루미늄(Al) 등의 금속이나 금속산화물로 코팅될 수도 있다. 또한, 상기 리튬 함유 전이금속 산화물 외에 황화물(sulfide), 셀렌화물(selenide) 및 할로겐화물(halide) 등도 사용될 수 있다.The cathode active material may be coated with a metal such as aluminum (Al) or a metal oxide. In addition to the lithium-containing transition metal oxide, sulfide, selenide and halide may also be used.
상기 도전재로서는 전기화학소자에서 화학변화를 일으키지 않는 전자 전도성 물질이면 특별한 제한이 없다. 일반적으로 카본블랙(carbon black), 흑연, 탄소섬유, 카본 나노튜브, 금속분말, 도전성 금속산화물, 유기 도전재 등을 사용할 수 있고, 현재 도전재로 시판되고 있는 상품으로는 아세틸렌 블랙계열 (쉐브론 케미컬 컴퍼니(Chevron Chemical Company) 또는 걸프 오일 컴퍼니 (Gulf Oil Company) 제품 등), 케트젠 블랙 (Ketjen Black) EC 계열(아르막 컴퍼니 (Armak Company) 제품), 불칸 (Vulcan) XC-72(캐보트 컴퍼니(Cabot Company) 제품) 및 수퍼 P (엠엠엠(MMM)사 제품)등이 있다. 예를 들면 아세틸렌블랙, 카본블랙, 흑연 등을 들 수 있다.The conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in an electrochemical device. In general, carbon black, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, metal powder, conductive metal oxide, organic conductive material and the like can be used. Commercially available products as the conductive material include acetylene black series (manufactured by Chevron Chemical Co., (Chevron Chemical Company or Gulf Oil Company products), Ketjen Black EC series (Armak Company), Vulcan XC-72 (Cabot Company) and Super P (MM (MMM)). For example, acetylene black, carbon black and graphite.
상기 캐소드 및 상기 애노드에 사용되는 바인더는 캐소드 활물질 및 애노드 활물질을 집전체에 유지시키고, 또 활물질들 사이를 이어주는 기능을 갖는 것으로서, 통상적으로 사용되는 바인더가 제한 없이 사용될 수 있다.The cathode and the binder used for the anode have a function of holding the cathode active material and the anode active material in the current collector and also connecting the active materials, and commonly used binders can be used without limitation.
예를 들면, 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐리덴플루오라이드(polyvinylidenefluoride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 스티렌-부타디엔 고무 (SBR, styrene butadiene rubber), 카르복시메틸 셀룰로스(CMC, carboxymethyl cellulose) 등의 다양한 종류의 바인더 고분자가 사용될 수 있다.For example, it is possible to use vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinylidene fluoride, polyacrylonitrile, polymethylmethacrylate, styrene Various types of binder polymers such as styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), and the like can be used.
상기 캐소드 및 상기 애노드에 사용되는 집전체는 전도성이 높은 금속으로, 상기 활물질의 슬러리가 용이하게 접착할 수 있는 금속으로 전지의 전압 범위에서 반응성이 없는 것이면 어느 것이라도 사용할 수 있다. 구체적으로 캐소드용 집전체의 비제한적인 예로는 알루미늄, 니켈 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있으며, 애노드용 집전체의 비제한적인 예로는 구리, 금, 니켈 또는 구리 합금 또는 이들의 조합에 의하여 제조되는 호일 등이 있다. 또한, 상기 집전체는 상기 물질들로 이루어진 기재들을 적층하여 사용할 수도 있다.The current collector used for the cathode and the anode may be any metal having a high conductivity and a metal which can easily adhere to the slurry of the active material and is not reactive in the voltage range of the battery. Specifically, examples of the current collector for a cathode include aluminum, nickel, or a combination thereof. Examples of the current collector for an anode include copper, gold, nickel, or a copper alloy or a combination thereof And the like. In addition, the current collector may be used by laminating the substrates made of the above materials.
상기 캐소드 및 상기 애노드는, 각각의 활물질, 도전재, 바인더, 고비점 용제를 이용해 혼련하여 전극 합제로 한 후, 이 합제를 집전체의 동박 등에 도포하여, 건조, 가압 성형한 후, 50℃ 내지 250℃ 정도의 온도로 2시간 정도 진공 하에서 가열 처리함으로써 각각 제조될 수 있다.The cathode and the anode are kneaded using an active material, a conductive material, a binder and a high boiling point solvent to prepare an electrode mixture, and then the mixture is coated on a copper foil or the like of the current collector, dried, Followed by heat treatment at a temperature of about 250 DEG C for about 2 hours under vacuum.
본 발명의 일 실시예에 따른 리튬 이차전지의 외형은 특별한 제한이 없으나, 캔을 사용한 원통형, 각형, 파우치(pouch)형 또는 코인(coin)형 등이 될 수 있다.The outer shape of the lithium secondary battery according to an embodiment of the present invention is not particularly limited, but may be cylindrical, square, pouch type, coin type, or the like using a can.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.
실시예Example 1 One
(1) 비수 전해액의 제조 (1) Preparation of non-aqueous electrolyte
에틸렌 카보네이트(EC) : 에틸메틸 카보네이트(EMC) = 1 : 2의 중량비로 혼합된 유기 용매를 제조한 후, 첨가제로서 LiBF4는 유기용매 100 중량부를 기준으로 2 중량부가 되도록, 전해질염으로서 LiPF6를 1M가 되도록 첨가하여, 비수 전해액을 제조하였다.
Ethylene carbonate (EC): ethyl methyl carbonate (EMC) = 1: as the additive after the second manufacturing the organic solvent mixture in a weight ratio of LiBF 4 is, LiPF 6 as an electrolyte salt to 2 parts by weight based on 100 parts by weight of organic solvent part Was added so as to be 1 M to prepare a nonaqueous electrolytic solution.
(2) 캐소드의 제조 (2) Manufacture of cathode
캐소드 활물질로 Li2MnO3과 LiNi0 .5Mn0 .5O2이 동일한 중량비로 혼합된 것 : 도전재로 수퍼 P : 바인더로 Kureha KF-1100(PVDF)를 96 : 2 : 2의 중량비로 혼합하여 슬러리를 만든 후, 통상적인 방법으로 알루미늄(Al) 호일 집전체에 코팅하고, 건조하여 캐소드를 제조하였다.
As a cathode active material, Li 2 MnO 3 and LiNi 0 .5 Mn 0 .5 O 2 will mixed with the same weight ratio of the binder to Kureha KF-1100 (PVDF) 96 :: Super P as a conductive material in a weight ratio of 2:02 The mixture was mixed to prepare a slurry, coated on an aluminum (Al) foil current collector by a conventional method, and dried to prepare a cathode.
(3) 애노드의 제조 (3) Manufacture of anode
인조 흑연 : SBR계 바인더 : 증점제로서 카르복시메틸 셀룰로스(CMC)를 98 : 1 : 1의 중량비로 혼합하여 애노드 활물질 슬러리를 제조한 후, 통상적인 방법으로 구리(Cu) 호일 집전체에 코팅하여, 애노드를 제조하였다.
The anode active material slurry was prepared by mixing artificial graphite: SBR binder: carboxymethyl cellulose (CMC) as a thickener at a weight ratio of 98: 1: 1, and then coated on a collector of copper (Cu) foil by a conventional method, .
(4) 리튬 이차전지의 제조 (4) Production of lithium secondary battery
상기 제조된 캐소드 및 애노드의 사이에 폴리에틸렌 다공성 막을 개재시켜 제조한 전극조립체를 통상적인 방법으로 코인형 반쪽셀을 제조하였다.
A coin-shaped half-cell was fabricated by a conventional method using an electrode assembly manufactured by interposing a polyethylene porous film between the cathode and the anode.
실시예Example 2 2
비수 전해액의 제조에서, 1,4-프로판 설톤 1.5 중량부를 더 포함되도록 첨가하여 제조된 비수 전해액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코인형 반쪽셀을 제조하였다.
A coin-shaped half cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that a non-aqueous electrolyte prepared by adding 1.5 parts by weight of 1,4-propane sultone was used in the preparation of the non-aqueous electrolyte.
비교예Comparative Example 1 One
비수 전해액의 제조에서, 첨가제로서 LiBF4 대신 비닐렌 카보네이트(VC)를 2 중량부가 되도록 첨가하여 제조된 비수 전해액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코인형 반쪽셀을 제조하였다.
A coin-shaped half-cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that a nonaqueous electrolytic solution prepared by adding 2 parts by weight of vinylene carbonate (VC) instead of LiBF 4 as an additive in the preparation of the non-aqueous electrolyte was used.
비교예Comparative Example 2 2
비수 전해액의 제조에서, 첨가제로서 LiBF4 대신 비닐렌 카보네이트(VC)를 2 중량부 및 1,4-프로판 설톤 1.5 중량부를 첨가하여 제조된 비수 전해액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코인형 반쪽셀을 제조하였다.
A nonaqueous electrolytic solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that a nonaqueous electrolyte prepared by adding 2 parts by weight of vinylene carbonate (VC) and 1.5 parts by weight of 1,4-propane sultone instead of LiBF 4 as an additive was used To prepare coin-shaped half cells.
비교예Comparative Example 3 3
비수 전해액의 제조에서, 첨가제로서 LiBF4 대신 1,4-프로판 설톤 1.5 중량부가 되도록 첨가하여 제조된 비수 전해액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코인형 반쪽셀을 제조하였다.
A coin-shaped half cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that a non-aqueous electrolyte prepared by adding 1.5 parts by weight of 1,4-propane sultone instead of LiBF 4 as an additive in the preparation of the non-aqueous electrolyte was used.
비교예Comparative Example 4 4
비수 전해액의 제조에서, LiBF4를 첨가하지 않음으로써 제조된 비수 전해액을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 코인형 반쪽셀을 제조하였다.
A coin-shaped half-cell was prepared in the same manner as in Example 1, except that, in the preparation of the non-aqueous electrolyte, the non-aqueous electrolyte prepared by not adding LiBF 4 was used.
시험예Test Example 1 : 전지의 수명 특성 평가 1: Evaluation of battery life characteristics
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 반쪽셀에 대하여, 0.5 C로 4.5 V까지 정전류 충전 및 0.5 C로 2.5 V까지 정전류 방전을 30회 반복하면서, 각 사이클 별로 수명 특성을 측정하였고, 그 측정결과를 도 1에 도시하였다. 그리고 충방전을 30회 반복한 후의 최종 수명 특성을 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 최종 수명 특성은 초기 용량 대비 30회 충방전 후, 용량 유지율로 나타내었다.The half-cells prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 were subjected to a constant current charging up to 4.5 V at 0.5 C and a constant current discharge to 2.5 V at 0.5 C for 30 times, The measurement results are shown in Fig. The final life characteristics after 30 charge and discharge cycles are shown in Table 1 below. At this time, the final lifetime characteristics were indicated by the capacity retention rate after 30 cycles of charging / discharging with respect to the initial capacity.
도 1 및 상기 표 1에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예들이 비교예들보다 더 큰 용량 유지율을 가짐을 알 수 있다.
As shown in Fig. 1 and Table 1, it can be seen that the embodiments according to the present invention have larger capacity retention ratios than the comparative examples.
시험예Test Example 2 : 2 : 세퍼레이터의Separator 부반응물Minor reactant 검출 평가 Detection evaluation
상기 실시예 1, 2, 비교예 1 및 2에서 제조된 반쪽셀에 대하여, 충방전 30회가 완료된 후, 세퍼레이터의 표면과 단면을 SEM으로 촬영하였다.After 30 charge / discharge cycles were completed, the surface and the cross-section of the separator were photographed by SEM, with respect to the half-cells prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2.
도 2 및 도 3은, 각각 첨가제로서 LiBF4를 첨가한 비수 전해액(실시예 1), LiBF4 및 PS를 첨가한 비수 전해액(실시예 2)을 사용하여 제조된 전지에 대하여, 충방전 30회 시험을 완료한 후, 그 전지 각각의 세퍼레이터 SEM사진을 나타내고, 도 4 및 도 5는, 각각 첨가제로서 VC를 첨가한 비수 전해액(비교예 1), VC 및 PS를 첨가한 비수 전해액(비교예 2)을 사용하여 제조된 전지에 대하여, 충방전 30회 시험을 완료한 후, 그 전지 각각의 세퍼레이터 SEM사진을 나타낸다.2 and 3 are graphs showing the results of a comparison between a non-aqueous electrolyte (Example 1) to which LiBF 4 was added as an additive, a nonaqueous electrolyte solution to which LiBF 4 and PS were added (Example 2) 4 and 5 are graphs showing SEM photographs of each of the batteries after completion of the test. Figs. 4 and 5 are graphs showing the results of a comparison between the nonaqueous electrolyte solution (Comparative Example 1) in which VC is added as an additive and the nonaqueous electrolyte solution ), A separator SEM photograph of each of the batteries after 30 charge / discharge tests is shown.
도 2 내지 도 5를 살펴보면, 비수 전해액 중 첨가제로서 BF4 -를 음이온으로서 포함하는 화합물이 첨가된 경우는, 첨가되지 않은 경우보다 세퍼레이터의 표면 및 단면에 형성된, 망간을 포함하는 부반응물의 양이 적은 것을 확인할 수 있었다.2 to 5, when a compound containing BF 4 - as an anion is added as an additive in the non-aqueous electrolyte, the amount of manganese-containing side reactants formed on the surface and the cross section of the separator I could confirm that it was small.
그리고, 도 2 내지 도 5의 우측 상단의 사진은, 각각의 비수 전해액에, 캐소드 활물질을 첨가한 후 형성된 망간의 용출량을 보여준다. 이를 살펴보면, BF4 -를 음이온으로서 포함하는 화합물이 첨가되지 않은 비수 전해액에서는 망간의 용출량이 많은 것을 확인할 수 있었다. 용출된 망간은 애노드 활물질 표면에 석출되고, 석출된 망간은 애노드 활물질로부터 전자를 받아서 환원반응에 의해 전해액 분해를 촉진시킴으로써, 전지의 저항을 증가시켜 전지를 퇴화시킨다.2 to 5 show the elution amounts of manganese formed after adding the cathode active material to each of the non-aqueous electrolytic solutions. As a result, it was confirmed that the elution amount of manganese in the nonaqueous electrolyte solution to which no compound containing BF 4 - as an anion was added was large. The eluted manganese precipitates on the surface of the anode active material, and the precipitated manganese absorbs electrons from the anode active material to accelerate decomposition of the electrolyte by the reduction reaction, thereby increasing the resistance of the cell and degenerating the cell.
하지만, BF4 -를 음이온으로서 포함하는 화합물이 첨가된 비수 전해액에서는 망간의 용출이 거의 없는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 비수 전해액의 첨가제로서 BF4 -를 음이온으로서 포함하는 화합물을 첨가함으로써 전지퇴화를 방지할 수 있는 효과가 있음을 알 수 있었다.However, BF 4 - in the non-aqueous electrolyte compound is added containing an anion to check that the elution of manganese with little, as an additive for non-aqueous electrolyte therefrom BF 4 - the battery degradation by the addition of a compound comprising an anion It was found that there is an effect that can be prevented.
Claims (13)
상기 캐소드는, 망간 풍부 금속 산화물인 캐소드 활물질을 포함하며,
상기 비수 전해액은, 유기용매, 전해질 염 및 첨가제를 포함하며,
상기 첨가제는 음이온으로서 BF4 -를 포함하고,
상기 첨가제의 함량은, 상기 유기용매 100 중량부를 기준으로 0.1 중량부 내지 4 중량부인 리튬 이차전지.A lithium secondary battery comprising a cathode, an anode, a separator interposed between the cathode and the anode, and a non-aqueous electrolyte,
Wherein the cathode comprises a cathode active material which is a manganese-rich metal oxide,
The nonaqueous electrolyte solution includes an organic solvent, an electrolyte salt, and an additive,
Wherein the additive comprises BF 4 - as an anion,
Wherein the content of the additive is 0.1 part by weight to 4 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent.
상기 망간 풍부 금속 산화물은, LixMnaM1 bM2 cM3 dO2(0.5≤a≤1, 0≤b+c+d≤0.5, x+a+b+c+d=2), LiyMneM1 fM2 gM3 hO3(0.5≤e≤1, 0≤f+g+h≤0.5, y+e+f+g+h=3) 및 LizMniM1 jM2 kM3 lO4(1≤i≤2, 0≤j+k+l≤1, 2z+i+j+k+l=4)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물이고,
상기 M1, M2 및 M3는, 서로 독립적으로 Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V 및 Fe로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 원소인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Wherein the manganese-rich metal oxide is Li x Mn a M 1 b M 2 c M 3 d O 2 (0.5? A? 1, 0? B + c + d? 0.5, x + a + b + c + d = 2 ), Li y Mn e M 1 f M 2 g M 3 h O 3 (0.5≤e≤1, 0≤f + g + h≤0.5, y + e + f + g + h = 3) and the Li z Mn M 1 M 2 j i k l M 3 O 4, or any one selected from the group consisting of (1≤i≤2, 0≤j + k + l≤1 , 2z + i + j + k + l = 4) A mixture of two or more thereof,
Wherein each of M 1 , M 2 and M 3 is independently any one selected from the group consisting of Al, Mg, Mn, Ni, Co, Cr, V and Fe.
상기 망간 풍부 금속 산화물은, Li2MnO3와 LiMn0 .5Ni0 .5O2의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.3. The method of claim 2,
Wherein the manganese-rich metal oxide is a mixture of Li 2 MnO 3 and LiMn 0 .5 Ni 0 .5 O 2 .
상기 유기용매는, 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate, PC), 1,2-부틸렌 카보네이트, 2,3-부틸렌 카보네이트, 1,2-펜틸렌 카보네이트, 2,3-펜틸렌 카보네이트, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 플루오로에틸렌 카보네이트(fluoroethylene carbonate, FEC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 디프로필 카보네이트, 에틸메틸 카보네이트(EMC), 메틸프로필 카보네이트, 에틸프로필 카보네이트, 디메틸 에테르, 디에틸 에테르, 디프로필 에테르, 메틸에틸 에테르, 메틸프로필 에테르, 에틸프로필 에테르, 메틸 아세테이트, 에틸 아세테이트, 프로필 아세테이트, 메틸 프로피오네이트, 에틸 프로피오네이트, 프로필 프로피오네이트, γ-부티로락톤, γ-발레로락톤, γ-카프로락톤, σ-발레로락톤 및 ε-카프로락톤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Examples of the organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, (DEC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), dipropyl carbonate, ethyl methyl carbonate (EMC), methyl propyl carbonate A solvent such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, isopropanol, butanol, isopropanol, butanol, isopropanol, Pyronate,? -Butyrolactone,? -Valerolactone,? -Caprolactone,? -Valerolactone and? -Caprolactone Luer binary group either or lithium secondary battery, characterized in that a mixture of two or more of those selected from the.
상기 유기용매는, 에틸메틸 카보네이트, 디메틸 카보네이트 및 디에틸 카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물 60 중량% 내지 80 중량% 및 에틸렌 카보네이트 20 중량% 내지 40 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Wherein the organic solvent comprises 60 wt% to 80 wt% of any one selected from the group consisting of ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate, or a mixture of two or more thereof, and 20 wt% to 40 wt% Lt; RTI ID = 0.0 > rechargeable < / RTI >
상기 전해질 염은, 음이온으로서, F-, Cl-, Br-, I-, NO3 -, N(CN)2 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- , CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- 및 (CF3CF2SO2)2N-로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
The electrolytic salt is preferably an anion selected from the group consisting of F - , Cl - , Br - , I - , NO 3 - , N (CN) 2 - , ClO 4 - , PF 6 - , (CF 3 ) 2 PF 4 - 3) 3 PF 3 -, ( CF 3) 4 PF 2 -, (CF 3) 5 PF -, (CF 3) 6 P -, CF 3 SO 3 -, CF 3 CF 2 SO 3 -, (CF 3 SO 2) 2 N -, (FSO 2) 2 N -, CF 3 CF 2 (CF 3) 2 CO -, (CF 3 SO 2) 2 CH -, (SF 5) 3 C -, (CF 3 SO 2) 3 C - , CF 3 (CF 2 ) 7 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , CH 3 CO 2 - SCN - and (CF 3 CF 2 SO 2 ) 2 N - , or two or more of them.
상기 전해질 염은, LiPF6인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte salt is LiPF 6 .
상기 음이온으로서 BF4 -를 포함하는 첨가제는, LiBF4, R1R2R3R4NBF4(R1, R2, R3 및 R4는 각각 C1 내지 C12인 알킬기)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
The additive comprising BF 4 - as the anion is selected from the group consisting of LiBF 4 , R 1 R 2 R 3 R 4 NBF 4 (R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each an alkyl group of C 1 to C 12 ) , Or a mixture of two or more thereof.
상기 비수전해액은, 비닐렌 카보네이트, 비닐에틸렌 카보네이트, 환형 설파이트, 포화 설톤, 불포화 설톤, 비환형 설폰, 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
The nonaqueous electrolytic solution further includes any one selected from the group consisting of vinylene carbonate, vinylethylene carbonate, cyclic sulfite, saturated sulphone, unsaturated sulphone, non-cyclic sulphone, and derivatives thereof or a mixture of two or more thereof Lt; RTI ID = 0.0 > rechargeable < / RTI >
상기 애노드는, 리튬 금속, 탄소재, 금속 화합물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 애노드 활물질을 구비한 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Wherein the anode comprises an anode active material comprising a lithium metal, a carbon material, a metal compound, or a mixture thereof.
상기 금속 화합물은, Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Mg, Sr, 및 Ba으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 금속 원소를 함유하는 화합물 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.12. The method of claim 11,
The metal compound may be at least one selected from the group consisting of Si, Ge, Sn, Pb, P, Sb, Bi, Al, Ga, In, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Or a compound containing two or more of these metal elements, or a mixture thereof.
상기 리튬 이차전지는, 원통형, 각형, 파우치형 또는 코인형 전지인 것을 특징으로 하는 리튬 이차전지.The method according to claim 1,
Wherein the lithium secondary battery is a cylindrical, square, pouch-type, or coin-type battery.
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